计算材料前沿研究成果精选|Phys. Rev. Lett.专刊（4月）

材料人推出计算材料成果汇编（月刊），报道计算材料相关重大成果。本篇为Physical Review Letters专刊。

1、 仅由电子温度驱动的闪锌矿结构半金属拓扑相变

图1：用LDA和EXX计算得到不同温度下的GaBi能带结构

近日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Andreas Görling教授课题组发现发现闪锌矿半金属的电子相变产生可以仅由于电子温度的变化，而不需要包含结构转变或电子-声子耦合。常用的Kohn-Sham密度泛函方法基于局域和半局域密度泛函使用LDA或GGA方法。然而，由于缺少本征温度依赖性，并考虑到温度仅对能带的占据起作用，会必然导致费米能级的转变，而不发生能带形状或拓扑学变化，常用方法不能描述上述现象。Kohn-Sham方法适用恰当的温度依赖交换势，不受Hartree-Fock交换势的影响，另一方面，可以描述这样的相变。相干效应的简单模型可以通过对交换进行监测。在所研究的闪锌矿化合物中，BDT在低温不稳定，向电子态的转变无QBT发生。Kohn-Sham方法可以假设他们基于比LDA或GGA更准确的泛函，描述这一拓扑相变，此外，电子温度被视为调控拓扑材料的一个切入点。

文献链接：Topological Phase Transitions in Zinc-Blende Semimetals Driven Exclusively by Electronic Temperature（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.146401）

2、 多铁性BiFeO3中的鳞状圆形畴的磁场调控和电极化

图2：垂直于鳞状圆形畴的反铁磁序

匈牙利布达佩斯工业和经济大学的S. Bordács（第一作者）发现室温多铁性BiFeO3单晶体的铁电畴，用小角中子衍射观察，可发生磁场诱导鳞状自旋结构重排。当超出钉扎阈值（~5T)磁场垂直于极化轴放置时，鳞状扩展矢量会发生旋转。鉴于以上实验结果，本文提出一个唯象模型，捕捉鳞状畴的重排，并再次讨论了磁电效应的微观起源。本文提出磁各向异性和极化之间一种新的耦合，用于解释最近发现的垂直于菱方轴向的磁电极化。

文献链接：Magnetic Field Control of Cycloidal Domains and Electric Polarization

in Multiferroic BiFeO₃（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.147203）

3、IV-VI族黑磷类似物和热电半导体SnSe的能带结构

图3：平行于SnSe层的动量平面的角分辨光电子能谱密度分布图

美国普林斯顿大学/布鲁克海文国家实验室的I. Pletikosić研究员（通讯作者）在文章中提到，黑磷在快速电子和光子设备上的成功受阻，是由于其在氧气下会发生快速劣化。硬度高、等电子数且和黑磷结构相同的正交相SnSe是IV-VI族二元化合物的典型代表。作者测量了SnSe的能带结构，发现高度各向异性的价带，形成几个能谷，在层内快速色散，层间色散可忽略不计。这种能带结构正是有效热电器件所需要的。

文献链接：Band Structure of the IV-VI Black Phosphorus Analog and Thermoelectric SnSe（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.156403）

4、大气压下硅的超导开放结构同素异形体

图4：不同组分比的Na1-xSix在10GPa和20GPa下的稳定和亚稳构型的生成焓

基于现代半导体技术，金刚石结构的Si是有直接带隙的半导体。尽管用金刚石压砧，可观察到Si的许多亚稳态形式，合成时可进一步压缩或作为化学前驱体，但常压下金属相还未得到报道。韩国高等科学技术院的K. J. Chang（通讯作者）报道了常压下具有开放通道的纯金属硅同素异形体，不同于立方金刚石结构的共价键合网络。金属相命名为P6/m-Si₆，可以在一种新型Na-Si笼型化合物P6/m-NaSi₆的压力释放后，移除Na来获取。该现象可通过在高压下的第一性原理计算进行预测。作者发现P6/m-NaSi₆和P6/m-Si₆均为稳定相，在约为13和12K的临界温度时具有常压超导性。这种新的Na-Si和Si笼型化合物结构的预测，展现了探索新型无毒同素异形体的硅基器件的可能。

文献链接：Superconducting Open-Framework Allotrope of Silicon at Ambient Pressure（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.157001）

5、界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用：5d能带填充效应以及自选混合电导的关联

图5：布里渊散射（BLS）技术的测试结构示意图及Damon Eshbach自旋波的BLS谱

在重金属和铁磁金属界面的 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）被视为电子自旋应用中的关键要素。美国德克萨斯大学奥斯汀分校/加利福尼亚大学的Xin Ma（通讯作者）研究了重金属元素的5d能带全满时，在重金属/铁磁金属多层薄膜中DMI的化学倾向。DMI可以通过布里渊光散射技术测量非对称自旋波色散，进行定量评估。考虑界面处5d和3d能带对齐和随后费米能级周围的轨道杂化，可定量理解化学趋势。此外，作者还发现了界面处DMI和有效自旋混合电导的关联。研究结果为界面DMI研究进而设计未来的电子自旋器件提供了新想法。

文献链接：Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction: Effect of 5d Band Filling and Correlation with Spin Mixing Conductance（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.157204）

6、单层FeSe中的光诱导II型能带反转和量子反常霍尔态

图6：辐照下FeSe的能带与能隙演化情况

量子反常霍尔（QAH）态和超导态的耦合为探测隐含拓扑超导态的信号提供了一个极具吸引力的方法，但其解释被磁性掺杂QAH材料中的无序效应所笼罩。另一方面，反铁磁量子自旋霍尔（QSH）态被视为典型的高温二维超导体，如单层FeSe。中国科学技术大学的王征飞教授团队和美国犹他大学/量子物质科学协同创新中心的刘峰教授团队合作，在单层FeSe中进行光诱导II型能带反转和QSH-QAH相变。研究发现，本征自选轨道耦合导致的I型能带反转，翻转奇数次，属于时间反演对称。对比之下，II型能带反转来源于光诱导手性依赖的有效自旋轨道耦合，翻转偶数次不遵循时间反演对称。两个自旋轨道耦合项之间的相互作用，使得反铁磁量子自旋霍尔态自旋向上和向下能带对循环偏振光的响应相反，致使II型能带反转和外来拓扑相变发生。这些发现为无磁性掺杂的单一材料中探测Majorana费米子提供了大好机遇。

文献链接：Light-Induced Type-II Band Inversion and Quantum Anomalous Hall State in Monolayer FeSe（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.156406）

7、非晶态碳四面体中高sp3含量的生长机制和起源

图7：60eV系统的表面粗糙度和原子层结构分析

近日，芬兰阿尔托大学的Miguel A. Caro博士通过分子动力学模拟研究了四面体非晶碳薄膜的沉积，模拟基于机器学习原子相互作用势是通过对密度泛函理论数据训练得到的。首次，实验观察到超过85%的高sp³比例，通过计算机模拟得以重现，薄膜特征与沉积能的依赖关系也可被准确描述。势函数的准确性和原子间相互作用的直接获取使得作者可以推断材料的微观生长机制，所谓的“锥尖”模型实际上是获得高sp³含量的主导机制。以上依靠前所未有的预测能力得到的结果，为碳纳米结构形成的微观理解开启了一扇新大门。

文献链接：Growth Mechanism and Origin of High sp³ Content in Tetrahedral Amorphous Carbon（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.166101）

8、借助离轴电子全息技术对FeGe纳米条纹中磁性表面和边态的定量化分析

图8：手性磁体的磁边界态的示意图

尽管理论研究已经揭示在手征磁体中磁性表面和边态对Skyrmonic自旋织构的重要影响，相关的试验研究仍然比较模糊。近日，中科院物理所/德国于利希研究中心的李子安老师通过离轴电子全息技术研究FeGe纳米带的手性边态。结果揭示了磁场驱动的手性边态的形成，穿透强度达到95和240K。饱和磁化强度的值通过分析平面内螺旋子和孤立子的磁化强度分布确定，孤立子的磁化强度值相对较低。作者将这一差异归因于手性表面态的存在，该表面态可对三维Skyrmion模型理论预测得到。实验提供了磁性手征边界态的直接定量测量手段，突出了先进电子全息技术在纳米结构中复杂自旋织构研究的应用。

文献链接：Quantification of Magnetic Surface and Edge States in an FeGe Nanostripe by Off-Axis Electron Holography（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.167204）

9、电中性的两重双层石墨烯-WSe2异质结的明显增强隧穿效应

图9：异质结图示和光学显微成像及电学性能

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Emanuel Tutuc教授通过实验观察发现，若石墨烯双分子层之间分布着极性相反、密度相同的载流子，通过WSe2能垒的石墨烯双分子层间的隧道效应会明显增强。这种隧道效应的提高随温度降低在强度上明显增加，温度为1.5K时，隧道电流随层内电压变化而变化，呈垂直开启形式。总体电中性时，明显的增强隧道效应严重偏离单粒子模型计算，二和测得的隧道电流-电压关系很好地匹配，表明在两层间分布的电子和空穴等密度时，会有伴随着凝聚态双分子层间激发的多体态的产生。

文献链接：Strongly Enhanced Tunneling at Total Charge Neutrality in Double-Bilayer Graphene-WSe₂ Heterostructures（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.177702）

10、一维纳米线中的热电功率因数限制

图10 侧边有焦耳热源的InAs纳米线背栅场效应晶体管的形貌，以及装置和电路简图

在过去的十年里，一维纳米线的热电性能的潜在应用受到了极大关注，但实际上基于一维效应找到高热电功率因子仍是一个挑战。近日，瑞典隆德大学的I-Ju Chen博士和 Claes Thelander教授指出，非弹道式的一维纳米线的热电功率因子存在一个上限，从而产生了最近建立的热电功率输出的量子束缚。对准弹道式InAs纳米线展开实验，测试这一极限，发现测得的最大功率因子和理论极限值为何。这一极限，可基于纳米线维度和平均自由路径，预测特定纳米线材料体系一维电子输运可达到的功率因子。小横截面和高晶体质量的先进半导体纳米线的功率因子，可以预见在低温时高度竞争。然而，在块体材料或室温以上的时候，没有明显优势。

文献链接：Thermoelectric Power Factor Limit of a 1D Nanowire（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.177703）

本文由材料人计算材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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